JPH05290668A - 起電スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 効率が良く、出力が大きく、ストロークが大
きくとれ、簡単な構造で動作復帰ができ、出力波形が自
在に制御できる起電スイッチを提供する。 【構成】 永久磁石をコの字形のヨーク３に固定し、動
作時にヨーク３の一端をコイル１に中心で移動させ、永
久磁石２の吸着盤４に対する吸引力で動作復帰させる。
これにより、コイル１の導体を永久磁石２の発生する磁
束が横切る構造とし、フレミングの右手の法則による起
電力を得る。 【効果】 出力は導体を磁束が横切る速度に比例するの
で、その速度の制御により自在に出力波形が制御でき
る。また、磁束量を変化させる必要がないので、最大量
を維持したままの磁束の移動で起電でき、高出力が高効
率で得られる。また、動作復帰以外に永久磁石の吸引力
が用いられることがないので、ストロークを大きくとっ
ても十分な復帰力が得られ、構造が簡単になり長寿命が
望める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高出力の起電力を発生
する起電スイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、スイッチ操作時の運動エネル
ギーを利用して起電力を発生させることができる起電ス
イッチが知られている。

【０００３】図３（ａ），（ｂ），（ｃ）にその従来例
の第一例を示す。図において、（ａ）はスイッチを押す
前の復帰状態（停止状態）を示し、（ｂ）は押したとき
の動作状態を、（ｃ）は起電スイッチの出力波形を示し
ている。この従来例は、コイル１０１と、永久磁石１０
２と、コイル１０１の中心の軸に設けた磁性体１０３
と、永久磁石１０２の吸着盤１０４とを有している。永
久磁石１０２は、コイル１０１の軸である磁性体１０３
と同一方向に磁化されており、キートップの軸１０５に
連結されていて、その磁化方向に移動され、図略のキー
トップを押したとき磁性体１０３に接近しあるいは吸い
付く構造を有している。吸着盤１０４はコイル１０１の
反対側に設けられており、永久磁石１０２が吸引され
て、磁性体１０３から離れた状態に復帰できるようにな
っている。

【０００４】まず、本例における復帰状態では、図３
（ａ）のように、吸着盤１０４に永久磁石１０２が吸着
された状態であり、コイル１０１の軸である磁性体１０
３への磁束の影響は少ない。次に、図３（ｂ）の動作状
態では、吸着盤１０４から永久磁石１０２が離れコイル
１０２の軸である磁性体１０３に近づき、磁性体１０３
の中を通る磁束量が増える。この結果コイル１０１の中
を通る磁束量が変化し、コイル１０１に起電力が生ず
る。コイル１０１に発生する起電力Ｅはレンツの法則に
よって表され、式は次の通りである。

【０００５】

【数１】Ｅ＝−Ｎ・ΔΦ／Δｔ〔Ｖ〕 即ち、起電力Ｅは、コイル１０１の巻数Ｎおよび磁束変
化量ΔΦに比例し、永久磁石１０２が磁性体１０３に達
する時間Δｔに反比例する。動作後は、永久磁石１０２
と吸着盤１０４との吸引力により再び吸着され、元の状
態に復帰する。

【０００６】次に、起電スイッチの従来例の第二例を図
４（ａ），（ｂ）に示す。図において、（ａ）は起電ス
イッチの復帰状態（停止状態）を示し、（ｂ）は動作状
態を示す。この従来例は、コイル１０１と、永久磁石１
０２と、コイル１０１の中心の軸を通り一端がキートッ
プ１０６に連結され他端が永久磁石１０２に連結された
磁性体１０３と、コイル１０１の永久磁石１０２側に設
けた吸着盤１０４とを有している。永久磁石１０２は、
コイル１０１の軸を兼ねる磁性体１０３と同一方向に磁
化されており、キートップ１０６を押したときはその磁
化方向に移動してコイル１０１から離れ、キートップ１
０６を離すと吸着盤１０４に吸引されてコイル１０１へ
接近する構造を有している。

【０００７】まず、本例における復帰状態は、図４
（ａ）のように吸着盤１０４に永久磁石１０２が吸着さ
れた状態であり、コイル１０１への磁束の影響は大であ
る。次に、図４（ｂ）の動作状態では、吸着盤１０４か
ら永久磁石１０２が離れコイル１０１の中を通る磁束量
が減る。この結果、コイル１０１の中を通る磁束量がマ
イナスへ変化し、コイル１０１に起電力が生ずる。この
時の起電力Ｅは、第一例と同様にレンツの法則によって
表わされ、次式のようになる。

【０００８】

【数２】Ｅ＝−Ｎ・（−ΔΦ）／Δｔ〔Ｖ〕 次に、起電スイッチの従来例の第三例を図５（ａ），
（ｂ）に示す。図において、（ａ）はその復帰状態（停
止状態）を示し、（ｂ）は動作状態を示している。この
従来例は、コイル１０１と、永久磁石１０２と、コイル
１０１の中心の軸とコイル１０１の外周を通るＥ字形の
ヨーク１０７と、永久磁石１０２の両端に固定されヨー
ク１０７の中心部分と一方の外周部分に吸着される吸着
盤１０８とを有する。永久磁石１０２および吸着盤１０
８とは、図略のキートップに連動して移動可能な構造を
有しており、その移動によってヨーク１０７との吸着部
分が切り替わる。

【０００９】まず、本例における復帰状態は、図５
（ａ）に示すように吸着盤の一片１０８ａがヨークの一
方の外周部分１０７ａに吸着されその他片１０８ｂが中
心部分１０７ｃに吸着された状態であり、磁束は吸着盤
の一片１０８ａからヨークの一方の外周部分１０７ａを
通り、さらに中心部分１０７ｃを通って吸着盤の他片１
０８ｂを通るループとなっている。次に、図５（ｂ）に
示す動作状態では、上記の吸着状態が一担離れて、吸着
盤の一片１０８ａがヨークの中心部分１０７ｃに吸着
し、その他片１０８ｂがヨークの他方（反対側）の外周
部分１０７ｂに吸着し、今度は磁束が吸着盤の一片１０
８ａからヨークの中心部分１０７ｃを通り、さらにヨー
クの他方の外周部分１０７ｂを通って吸着盤の他片１０
８ｂを通るループとなる。このときのコイル１０１の中
心を通る磁束は、復帰状態から見て逆転している。本例
もレンツの法則を利用して起電力を得るものであり、前
述した起電力Ｅの式中の磁束変化量ΔΦの値を大きくし
て大きい起電力を得ようとするものであった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術による起電スイッチでは、それぞれ以下のよう
な解決すべき問題点を有していた。

【００１１】まず、第一例の従来例では、永久磁石１０
２を磁性体１０３に近づけあるいは吸い付け、コイル１
０１の中心を通る磁束を変化させて起電力を得、復帰は
その永久磁石１０２を磁性体１０３から剥がしあるいは
離し、そのまま永久磁石１０２の吸着盤１０４に対する
吸引力を利用している。このため、永久磁石１０２と吸
着盤１０４の吸引力よりも永久磁石１０２と磁性体１０
３との吸引力の方が弱くなければ、その復帰は望めない
ことになる。従って、レンツの法則の磁束の変化量ΔΦ
は、漏れ磁束などの損失分が無いと仮定しても、永久磁
石１０２全体の磁束エネルギーの５０％以下しか望めな
い。永久磁石１０２および可動部の自重分を引き寄せる
磁束エネルギーを吸着盤１０４に残す必要があるので、
次のような式が成り立つ。

【００１２】

【数３】（磁石全体の磁束エネルギー）／（２＋α）−
（磁石および可動部の自重分の磁束エネルギー）≧（起
電力を与える磁束エネルギー） この式において（２＋α）は分母が２以上の数字である
事を表す。即ち、従来例の第一例では、磁束の変化量に
対する効率は、これ以上望めない。これ以上の効率を引
き出す為には、復帰時に永久磁石１０２の吸引力以外の
力例えばバネ力等にたよらなければならない。しかし、
こうした対策を採ることは、部品点数を増やし、増えた
部品によってコスト上昇と、製品としての寿命が制約を
受ける事態とを招く事になる。このことは、無接点キー
スイッチに応用する場合、長寿命であるという利点を無
くしてしまうことになる。

【００１３】また、出力波形も図３（ｃ）のような急峻
な高電圧波形が出力される。これは永久磁石１０２に近
づくほど磁束の変化量が対数的に増す為である。従っ
て、時間が長く必要で電圧を高く加えられない場合で
も、それに適した波形を自在に制御して出力出来なかっ
た。

【００１４】次に、第二例の従来例では、永久磁石１０
２の磁束量は永久磁石１０２に近づくほど多く、遠くな
るほどｍ₁ｍ₂／ｒ²（ｍ₁，ｍ₂は両磁極の強さ、ｒは両
磁極間の距離）の式に従って対数的に減る。従って、動
作時に永久磁石１０２の速度が一定であれば、動作の始
めで最も磁束の変化率が多く、動作の終りで最も変化率
が少なくなる。ここで、永久磁石１０２の速度は、（外
力）−（可動部の弾性力）−（磁石の吸引力）の力によ
るため、動作の始めにおいて吸着盤１０４との吸引力が
最も強く可動部自身に働く弾性力により遅く、動作の終
りで吸引力が弱くなって速くなる。従って、前述の数２
の式からΔΦの大きい所でΔｔが大きくなり、ΔΦの小
さな所でΔｔも小さくなってしまう。この為に出力は小
さく効率も悪くなってしまう問題があった。

【００１５】さらに、第三例の従来例では、まず、動作
後、吸着盤１０４に、ヨーク１０７と永久磁石１０２両
端の吸着盤１０８とが吸着されてしまうので、従来例の
第一例のように、永久磁石１０２の吸引力による復帰は
全く望めない。従って、復帰のためのメカ構造などが必
要になる為、構造が複雑になると共に寿命も制約を受け
る事になり大型化する事になる。そして、この復帰をバ
ネなどで行う場合、動作時において復帰時に必要な力も
バネに与えて置かなければならない。従って、磁束をマ
イナスからプラスへ逆転させているので、従来例の第一
例の倍起電力があるように見えるが、バネに与えて置く
力の為に、動作時の力も倍必要になる為、動作時のエネ
ルギーが電気エネルギーに変換する効率は、従来例の第
一例と同じになる。また、マイナスからプラスへ磁束が
変化する時に、永久磁石１０２の動きは、ヨーク１０７
から離れ、反対側のヨーク１０７に吸着される。この永
久磁石１０２の動きが、一定でなければ、出力は安定し
ない。従って、機構によって永久磁石を動かす場合、構
造が難かしくなる問題点がある。

【００１６】その他、従来例はすべて逆起電力が大きく
なりやすいこと、さらにはストロークが十分にとれない
といった問題点があった。

【００１７】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、効率が良く、かつ出力
が大きくとれ、ストロークを大きくとっても永久磁石の
吸引力による復帰が可能で、出力波形が自在に制御可能
になる起電スイッチを提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の起電スイッチにおいては、操作によって移
動されかつ該操作による移動を復帰させる吸引力を発生
する永久磁石と、前記移動時に前記永久磁石の磁束が横
切る位置に配置され起電力を取り出す導体とを、具備す
ることを特徴としている。

【００１９】

【作用】本発明の起電スイッチでは、永久磁石の吸引力
で動作復帰する構造において、導体を永久磁石が発生す
る磁束を横切る位置に配置することにより、フレミング
の右手の法則による起電力を得る。これによる出力は、
導体を横切る速度に比例することから、その速度のコン
トロールにより自在に出力波形をコントロールすること
が可能になる。また、磁束量を変化させる必要がなくな
り、磁極を導体に近接させ最大量の磁束を維持したまま
その磁束の移動で起電力を得ることが可能になるので、
安定に高効率で高出力が得られる。また、動作復帰以外
に永久磁石の吸引力が用いられることがないので、スト
ロークを大きくとっても十分な復帰力が得られ、構造が
簡単になり長寿命が望める。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００２１】図１は本発明の第一の実施例の構成を示す
図であり、（ａ）はその復帰状態（停止状態）を示し、
（ｂ）はその動作状態を示す。本実施例の起電スイッチ
は、起電力による出力を得るためのコイル１と、動作復
帰のための吸引力を得るとともに上記起電力を得るため
の磁束を発生する永久磁石２と、コの字形状の磁性体か
ら成るヨーク３と、吸着盤４とを有している。

【００２２】ヨーク３は、その一端に永久磁石２が固定
され、その他端がコイル１の中心に遊挿されており、例
えば押ボタン形式であれば図示しないキートップに連動
して移動可能な構造とされている。永久磁石２は離隔し
たヨーク３の一端との間を通る磁束がコイル１を構成し
ている導体と直角に交わるように磁化され、ヨーク３は
この磁束が上記の導体を横切る方向に移動される。吸着
盤４は、復帰状態における永久磁石２の一端と、コイル
１の中心に挿入されたヨーク３の一端とを結ぶ位置にコ
イル１とともに固定される。

【００２３】以上のように構成した第一の実施例の動作
および作用を述べる。

【００２４】まず、復帰状態（停止状態）では、図１
（ａ）に示すように、吸着盤４に永久磁石２とヨーク３
が吸着された状態であり、動作時には吸着盤４から永久
磁石２とヨーク３が離れてコイル１の導体と磁束の両方
に直角な方向に永久磁石２が移動し、永久磁石２の移動
時に磁束が導体を直角方向に横切る。この導体を磁束が
横切る事によって起電力を生ずる。このとき導体に発生
する起電力Ｅは、フレミングの右手の法則によって表さ
れ、式は次の通りである。

【００２５】

【数４】Ｅ＝Ｂｌｖ〔Ｖ〕 即ち、起電力Ｅは、磁束の影響を受ける部分の導体の長
さｌと、磁場の強さＢと磁束が横切る速さｖの積とな
る。動作後は、永久磁石２の吸引力により吸着盤４へ吸
着され、元の状態に復帰する。

【００２６】従来技術では、コイルの中を通る磁束量を
変化させる為にコイルの中心の磁性体に永久磁石を吸い
付けたり剥したりする工程が必要であったが、本発明の
実施例では、コイルの中心の磁性体に永久磁石を吸い付
けたり剥したりする工程が無く、永久磁石２は吸着盤４
のみに吸着される。従って、十分な復帰力が望めるた
め、ストロークを従来より大きくとることできる。ま
た、従来例の第三例の様に、機構及びバネなどにより復
帰させる必要が無い為、それらによる寿命の制約を受け
る事が無く、構造も簡単になる。出力波形も、例えばノ
コギリ波形状となり、従来例の第一，第二例の様に時間
が短い割に電圧が高くはならない。効率も従来例の第
一，第二例ではコイルに対して永久磁石を近づけたり、
あるいは離したりする動作時に起電しているので、コイ
ルから永久磁石が離れている部分つまりコイルの対する
磁束の影響が少ない部分があったが、本発明の実施例で
は、導体を磁束が垂直方向に横切る事によって起電して
いるので、磁極を導体に近接したままで起電することが
でき、起電時のコイル１に対する磁束の影響は最大の部
分で一定させることができる。この為、効率が従来例よ
り高くなるとともに、高出力が得られる。例えば、１ｋ
Ωの限流抵抗を直列接続したＬＥＤ（発光ダイオード）
を１ｍＳの間４ｍＡ流して点灯することが可能になる。

【００２７】従来例との違いを式の上で説明すると、従
来例はすべて磁気に当たる磁束Φを変化させて、数１，
数２の式で示されるレンツの法則に従った起電力Ｅを生
じさせていた。それに対し本発明の実施例は、数４に示
されるフレミングの右手の法則に従った起電力Ｅを生
じ、磁気に当たる磁束Ｂは変化せず、磁束Ｂが導体を横
切る速さｖによって起電している。従って、次の例に示
すように速さｖをコントロールすることで出力波形を自
在に変えることが可能となる。

【００２８】次に、本発明の第二の実施例を説明する。

【００２９】図２（ａ），（ｂ）は、その構成を示す図
であり、（ａ）は復帰状態（停止状態）、（ｂ）は動作
状態を示す。本実施例は、吸着盤４の大きさを永久磁石
２の部分で切り欠くほかは第一の実施例と同一の構成と
し、その切り欠いた部分においてキートップ機構部５に
連結したＬ字形のアーム６先端でコの字形のヨーク３を
押して移動させる構造とする。

【００３０】キートップ機構部５は、アーム６先端の突
起６ａをガイドするガイド溝５ａを有し、復帰状態では
突起６ａを下端に係止させる構造を有する。キートップ
機構部５を押すと、突起６ａは係止されたままでヨーク
３を移動させ、所定のストロークだけ移動されたところ
で上記係止が解かれる。これによってヨーク３は永久磁
石２の吸着盤４に対する吸引力で復帰する。このとき、
突起６ａはガイド溝５ａにガイドされて動くことになる
が、ガイド溝５ａの途中に傾斜部分を設けておくと、そ
こでヨーク３の移動が減速され、コイル１の導体を横切
る磁束の速さが減速されて出力波形に変化を与えること
ができる。キートップ機構部５は、押し下げている力が
解放された後、例えばバネ力などで図２（ａ）の状態に
復帰させる。

【００３１】前述したように本実施例では、コイル１の
導体を磁束が横切る事により起電力を生じさせているの
で、磁束量を変化させる必要がなく、導体を磁束が横切
る速さにより出力が決まる。従って、永久磁石２や導体
の動きに直接対応した出力波形が得られる。即ち、図２
の様に永久磁石２の可動部にメカ構造を設け、永久磁石
２の動きを制御する事によって、出力波形を自在に制御
する事が出来る。

【００３２】なお、スイッチの形式は押しボタン形式の
ほか、マイクロスイッチ形式など種々の形式に適用可能
である。このように本発明は、その主旨に沿って種々に
応用され、種々の実施態様を取り得るものである。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
起電スイッチによれば、フレミングの右手の法則で起電
力を得る構成としたため、磁束量に変化を与える必要が
なく、起電時の導体に対する磁束の影響は最大の部分で
一定にすることができ、高効率で高出力が得られる。ま
た、起電力が導体を横切る磁束の速さに比例することか
ら、その速さをコントロールして出力波形をコントロー
ルすることが可能になる。さらに、永久磁石の吸引力は
動作の復帰だけに用いることができ、出力に影響を与え
ることなく十分な復帰力が得られ、ストロークが長くと
れるようになるとともに、構造が簡単になり長寿命が期
待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は本発明の第一の実施例を示す
構成図

【図２】（ａ），（ｂ）は本発明の第二の実施例を示す
構成図

【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ）は従来例の起電スイッ
チの第一例を示す図

【図４】（ａ），（ｂ）は従来例の起電スイッチの第二
例を示す図

【図５】（ａ），（ｂ）は従来例の起電スイッチの第三
例を示す図

【符号の説明】

１…コイル ２…永久磁石 ３…ヨーク ４…吸着盤 ５…キートップ機構部 ６…アーム

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 操作によって移動されかつ該操作による
   移動を復帰させる吸引力を発生する永久磁石と、前記移
   動時に前記永久磁石の磁束が横切る位置に配置され起電
   力を取り出す導体とを、具備することを特徴とする起電
   スイッチ。